Espectroscopia gamma

Los detectores de espectroscopia gamma son materiales pasivos capaces de interactuar con los rayos gamma incidentes. Los mecanismos de interacción más importantes son el efecto fotoeléctrico , el efecto Compton y la producción de pares . Mediante estos procesos, la energía del rayo gamma se absorbe y se convierte en una señal de voltaje al detectar la diferencia de energía antes y después de la interacción (o, en un contador de centelleo , los fotones emitidos mediante un fotomultiplicador ). El voltaje de la señal producida es proporcional a la energía del rayo gamma detectado. Los materiales detectores comunes incluyen contadores de centelleo de yoduro de sodio (NaI) , detectores de germanio de alta pureza como el germanato de bismuto y, más recientemente, GAGG:Ce .

Para determinar con precisión la energía del rayo gamma, es ventajoso que se produzca el efecto fotoeléctrico, ya que este absorbe toda la energía del rayo incidente. La absorción total de la energía también es posible cuando se produce una serie de estos mecanismos de interacción dentro del volumen del detector. Con la interacción Compton o la producción de pares, una parte de la energía puede escapar del volumen del detector sin ser absorbida. La energía absorbida da lugar a una señal que se comporta como la de un rayo de menor energía. Esto produce una característica espectral que se superpone a las regiones de menor energía. El uso de volúmenes de detector mayores reduce este efecto. Métodos más sofisticados para reducir este efecto incluyen el uso de blindajes de supresión Compton y el empleo de detectores segmentados con compensación de energía (véase: clover (detector) ). ^{[ 3 ]}

Los pulsos de voltaje generados por cada rayo gamma que interactúa dentro del volumen del detector son analizados por un analizador multicanal (MCA). En el MCA, un amplificador conformador de pulsos toma la señal de voltaje transitoria y la transforma en una forma gaussiana o trapezoidal . A partir de esta forma, la señal se convierte a formato digital mediante un convertidor analógico-digital (ADC) de alta velocidad. En sistemas modernos con un ADC de alta frecuencia de muestreo, la conversión analógica-digital puede realizarse sin necesidad de remodelar la señal.

Posteriormente, la lógica adicional del MCA realiza un análisis de amplitud de pulso , clasificando los pulsos según su amplitud en intervalos o canales específicos . Cada canal representa un rango específico de energía en el espectro; el número de señales detectadas para cada canal representa la intensidad espectral de la radiación en dicho rango. Al modificar el número de canales, es posible ajustar con precisión la resolución y la sensibilidad espectrales . ^{[ 4 ]}

El MCA puede enviar sus datos a una computadora, que los almacena, visualiza y analiza. Existen diversos paquetes de software de varios fabricantes, que generalmente incluyen herramientas de análisis espectral como calibración de energía (conversión de intervalos a energías), cálculo del área de pico y área neta, y cálculo de resolución. ^{[ 5 ]}

Una tarjeta de sonido USB puede funcionar como un convertidor analógico-digital (ADC) económico y de uso común, una técnica pionera de Marek Dolleiser. Un software especializado realiza un análisis de amplitud de pulso en la forma de onda digitalizada, formando un MCA completo. ^{[ 6 ]} Las tarjetas de sonido tienen chips ADC de alta velocidad pero baja resolución (hasta 192  kHz), lo que permite una calidad razonable para una tasa de conteo baja a media. ^{[ 7 ]} El "espectrómetro de tarjeta de sonido" se ha perfeccionado aún más en círculos de aficionados y profesionales. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Los rayos gamma detectados en un sistema espectroscópico producen picos en el espectro. Estos picos también pueden denominarse líneas, por analogía con la espectroscopia óptica. El ancho de los picos está determinado por la resolución del detector, una característica fundamental de los detectores espectroscópicos de rayos gamma. Una alta resolución permite al espectroscopista separar dos líneas gamma muy próximas entre sí. Los sistemas de espectroscopia gamma se diseñan y ajustan para producir picos simétricos con la mejor resolución posible. La forma del pico suele ser una distribución gaussiana . En la mayoría de los espectros, la posición horizontal del pico está determinada por la energía del rayo gamma, y ​​su área por la intensidad del rayo gamma y la eficiencia del detector.

La cifra más común para expresar la resolución de un detector es el ancho completo a media altura (FWHM). Este es el ancho del pico de rayos gamma a la mitad del punto más alto de la distribución de picos. Las cifras de resolución energética se dan con referencia a energías de rayos gamma específicas. La resolución puede expresarse en términos absolutos (es decir, eV o MeV) o relativos. Por ejemplo, un detector de yoduro de sodio (NaI) puede tener un FWHM de 9,15  keV a 122  keV y de 82,75  keV a 662  keV. Estos valores de resolución se expresan en términos absolutos. Para expresar la resolución energética en términos relativos, el FWHM en eV o MeV se divide por la energía del rayo gamma y generalmente se muestra como porcentaje. Siguiendo el ejemplo anterior, la resolución del detector es del 7,5 % a 122  keV y del 12,5 % a 662  keV. La resolución típica de un detector de germanio coaxial es de aproximadamente 2  keV a 1332  keV, lo que da como resultado una resolución relativa del 0,15 %.

No todos los rayos gamma emitidos por la fuente que atraviesan el detector generan un conteo en el sistema. La probabilidad de que un rayo gamma emitido interactúe con el detector y genere un conteo se denomina eficiencia del detector. Los detectores de alta eficiencia generan espectros en menos tiempo que los de baja eficiencia. En general, los detectores más grandes tienen mayor eficiencia que los más pequeños, aunque las propiedades de blindaje del material del detector también son factores importantes. La eficiencia del detector se mide comparando el espectro de una fuente de actividad conocida con las tasas de conteo en cada pico, con las tasas de conteo esperadas a partir de las intensidades conocidas de cada rayo gamma.

La eficiencia, al igual que la resolución, puede expresarse en términos absolutos o relativos. Se utilizan las mismas unidades (por ejemplo, porcentajes); por lo tanto, el espectroscopista debe asegurarse de determinar qué tipo de eficiencia se está proporcionando para el detector. Los valores de eficiencia absoluta representan la probabilidad de que un rayo gamma de una energía específica que atraviesa el detector interactúe y sea detectado. Los valores de eficiencia relativa se utilizan a menudo para detectores de germanio y comparan la eficiencia del detector a 1332  keV con la de un detector de NaI de 3  pulg  ×  3 pulg (es decir, 1,2 × ^10⁻³ cp s / Bq a 25 cm). Por consiguiente, pueden encontrarse valores de eficiencia relativa superiores al cien por cien cuando se trabaja con detectores de germanio muy grandes.   

The energy of the gamma rays being detected is an important factor in the efficiency of the detector. An efficiency curve can be obtained by plotting the efficiency at various energies. This curve can then be used to determine the efficiency of the detector at energies different from those used to obtain the curve. High-purity germanium (HPGe) detectors typically have higher sensitivity.

Thallium-doped sodium iodide (NaI(Tl)) has two principal advantages:

1. It can be produced in large crystals, yielding good efficiency, and
2. it produces intense bursts of light compared to other spectroscopic scintillators.

NaI(Tl) is also convenient to use, making it popular for field applications such as the identification of unknown materials for law enforcement purposes.

Electron hole recombination will emit light that can re-excite pure scintillation crystals; however, the thallium dopant in NaI(Tl) provides energy states within the band gap between the conduction and valence bands. Following excitation in doped scintillation crystals, some electrons in the conduction band will migrate to the activator states; the downward transitions from the activator states will not re-excite the doped crystal, so the crystal is transparent to this radiation.

An example of a NaI spectrum is the gamma spectrum of the caesium isotope ¹³⁷Cs—see Figure 1. ¹³⁷Cs emits a single gamma line of 662 keV. The 662 keV line shown is actually produced by ^137mBa , el producto de desintegración del ¹³⁷Cs , que está en equilibrio secular con ¹³⁷Cs .

El espectro de la Figura 1 se midió utilizando un cristal de NaI en un fotomultiplicador, un amplificador y un analizador multicanal. La figura muestra el número de cuentas dentro del período de medición en función del número de canal. El espectro indica los siguientes picos (de izquierda a derecha):

1. radiación x de baja energía (debido a la conversión interna del rayo gamma),
2. retrodispersión en el extremo de baja energía de la distribución Compton y
3. un fotopico (pico de energía total) a una energía de 662 keV

La distribución Compton es una distribución continua que está presente hasta el canal 150 en la Figura 1. Esta distribución surge debido a que los rayos gamma primarios experimentan dispersión Compton dentro del cristal: dependiendo del ángulo de dispersión, los electrones Compton tienen diferentes energías y, por lo tanto, producen pulsos en diferentes canales de energía.

Si un espectro contiene muchos rayos gamma, las distribuciones de Compton pueden presentar dificultades en el análisis. Para reducir la radiación gamma, se puede utilizar un blindaje de anticoincidencia ( véase supresión de Compton ). Las técnicas de reducción de rayos gamma son especialmente útiles para detectores pequeños de germanio dopado con litio (Ge(Li)).

El espectro gamma que se muestra en la Figura 2 corresponde al isótopo de cobalto ⁶⁰Co , con dos rayos gamma de 1,17 MeV y 1,33 MeV respectivamente. ( Véase el artículo sobre el esquema de desintegración para el esquema de desintegración del cobalto-60 ). Las dos líneas gamma se observan bien separadas; el pico a la izquierda del canal 200 probablemente indica una fuerte fuente de radiación de fondo que no se ha restado. Se observa un pico de retrodispersión cerca del canal 150, similar al segundo pico de la Figura 1.

Los sistemas de yoduro de sodio, al igual que todos los sistemas de centelleo, son sensibles a los cambios de temperatura. Las variaciones en la temperatura de funcionamiento, causadas por cambios en la temperatura ambiente, desplazan el espectro en el eje horizontal. Es común observar desplazamientos de picos de decenas de canales o más. Dichos desplazamientos pueden prevenirse mediante el uso de estabilizadores de espectro .

Debido a la baja resolución de los detectores basados ​​en NaI, estos no son adecuados para la identificación de mezclas complejas de materiales que producen rayos gamma. Los escenarios que requieren este tipo de análisis exigen detectores con mayor resolución.

En una configuración de detector real, algunos fotones pueden sufrir, y de hecho sufrirán, uno o más procesos de dispersión Compton (por ejemplo, en el material de la carcasa de la fuente radiactiva, en el material de blindaje o en cualquier otro material que rodee el experimento) antes de entrar en el material del detector. Esto da lugar a una estructura de pico que se puede observar en el espectro de energía de ^{137 que se muestra arriba.}Cs (Figura 1, el primer pico a la izquierda del borde Compton ), el llamado pico de retrodispersión. La forma detallada de la estructura del pico de retrodispersión está influenciada por muchos factores, como la geometría del experimento (geometría de la fuente, posición relativa de la fuente, blindaje y detector) o el tipo de material circundante (lo que da lugar a diferentes proporciones de las secciones transversales del efecto fotoeléctrico y del efecto Compton).

El principio básico, sin embargo, es el siguiente:

• Las fuentes de rayos gamma emiten fotones isotrópicamente ^{[ 10 ].}
• Algunos fotones experimentarán un proceso de dispersión Compton, por ejemplo, en el material de blindaje o en la carcasa de la fuente, con un ángulo de dispersión cercano a 180°, y algunos de estos fotones serán detectados posteriormente por el detector.
• El resultado es una estructura de pico con aproximadamente la energía del fotón incidente menos la energía del borde Compton .

El pico de retrodispersión suele aparecer ancho y se produce a menos de 250 keV. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Para energías de fotones incidentes E mayores que dos veces la masa en reposo del electrón (1,022  MeV), puede producirse un par  . El positrón resultante se aniquila con uno de los electrones circundantes, produciendo típicamente dos fotones de 511 keV. En un detector real (es decir, un detector de tamaño finito) es posible que después de la aniquilación:

• Ambos fotones depositan su energía en el detector. Esto da como resultado un pico con E , idéntico a la energía del fotón incidente.
• Uno de los dos fotones escapa del detector y solo uno de ellos deposita su energía en él, lo que da como resultado un pico con E − 511  keV, el único pico de escape.
• Ambos fotones escapan del detector, lo que da como resultado un pico con E − 2 × 511  keV, el pico de doble escape.

El espectro de la fuente Am-Be que se muestra arriba presenta un ejemplo de pico de escape simple y doble en una medición real.